Захватывающая огненная буря рождения звезд внезапно осветила небеса и заселила первые галактики, когда возраст Вселенной составлял менее пяти процентов от ее нынешнего возраста. Этот огненный поток – возможно, самый напряженный период звездообразования в космосе – произошел всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Вскоре с помощью космического телескопа НАСА Джеймса Уэбба (JWST) астрономы вернутся к тому бурному раннему периоду исследования дальнего космоса, чтобы проследить формирование и эволюцию первых галактик.
Изображение показывает богатый гобелен из 7500 галактик, охватывающий большую часть истории Вселенной. Самые далекие галактики, несколько очень слабых красных пятнышек, видны так, как они появились более 13 миллиардов лет назад, или примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва. Вскоре космический телескоп Джеймса Уэбба заглянет еще дальше в эту область, чтобы проследить образование и эволюцию самых первых галактик.
JADES – JWST Advanced Deep Extragalactic Survey – это большое амбициозное исследование, которое будет насчитывать почти 800 часов наблюдательного времени. В исследовании используется чувствительность Уэбба к инфракрасному свету, который имеет большую длину волны, чем видимый свет, и невидим для человеческого глаза.
«Мы думаем, что галактики начинают формироваться в первый миллиард лет после Большого взрыва и достигают подросткового возраста через 1-2 миллиарда лет. Мы пытаемся исследовать эти ранние периоды, – объяснил Дэниел Эйзенштейн, профессор астрономии в Гарвардском университете. – Мы должны сделать это с помощью телескопа, оптимизированного для инфракрасного излучения, потому что расширение Вселенной приводит к увеличению длины волны света по мере того, как он проходит огромное расстояние, чтобы достичь нас. Поэтому, хотя звезды излучают свет в основном в оптических и ультрафиолетовых длинах волн, этот свет постоянно смещается в инфракрасный диапазон. Только Уэбб может достичь глубины и чувствительности, необходимых для изучения этих ранних галактик».
Объединение сил
Исследование JADES является результатом сотрудничества двух групп инструментов Webb, которым предоставлены гарантированные временные наблюдения : групп ближней инфракрасной камеры ( NIRCam ) и ближнего инфракрасного спектрографа ( NIRSpec ). Программа сочетает в себе визуализацию NIRCam и спектроскопические возможности NIRSpec с Webb Mid-Infrared Instrument ( MIRI ), который имеет как камеру, так и спектрограф. Благодаря использованию скоординированных параллельных наблюдений команда JADES извлечет максимум из всех трех инструментов.
Затем ученые объединят результаты Уэбба с самыми глубокими данными космического телескопа НАСА Хаббл, рентгеновской обсерватории Чандра НАСА, а также наземных радиотелескопов Атакама с большой миллиметровой / субмиллиметровой решеткой и очень большой антенной решетки Янски, чтобы получить беспрецедентный обзор Вселенной. Изучая галактики на всех этих длинах волн, ученые получат полную картину, позволяющую им анализировать свет звезд галактик, пыль и межзвездную среду, а также сверхмассивные черные дыры, которые, как считается, находятся внутри этих галактик.
Изучение знакомых полей
Команда выбрала для своих наблюдений два, ранее хорошо изученных поля из Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). Компания GOODS объединила чрезвычайно глубокие наблюдения с космических телескопов НАСА Spitzer, Hubble и Chandra, а также с космических телескопов Herschel и XMM-Newton ЕКА, а также с самых мощных наземных объектов, чтобы исследовать самый слабый свет, который тогда можно было обнаружить в далекой Вселенной, в электромагнитном спектре . Обследование охватывало два больших поля, ТОВАР-Север и ТОВАР-Юг, которые расположены в северном созвездии Большой Медведицы и южном созвездии Форнакс, соответственно. GOODS-South также содержит изображение Hubble Ultra Deep Field, которое по сей день является самым глубоким и наиболее чувствительным изображением неба, когда-либо сделанным с помощью Hubble. Теперь, глядя на те же области, Уэбб пойдет еще глубже.
«Мы выбрали эти области, потому что они содержат огромное количество вспомогательной информации. Они были изучены на многих других длинах волн, поэтому они были логичными», – сказала Марсия Рике, которая вместе с Пьером Ферруйтом возглавляет команду JADES. Европейского космического агентства (ЕКА). Рике также является главным исследователем прибора NIRCam Уэбба и профессором астрономии в Университете Аризоны.
Команда также наблюдает за двумя широко разделенными полями, чтобы изучить различия между количеством галактик на разных расстояниях в одном поле по сравнению с другим.
Более 13 миллиардов лет назад, в эпоху реионизации, Вселенная была совсем другим местом. Газ между галактиками был в основном непрозрачен для яркого света, что затрудняло наблюдение молодых галактик. Что позволило Вселенной стать полностью ионизированной или прозрачной, что в конечном итоге привело к «чистым» условиям, обнаруженным сегодня в большей части Вселенной? Космический телескоп Джеймса Уэбба заглянет вглубь космоса, чтобы собрать больше информации об объектах, существовавших в Эру реионизации, чтобы помочь нам понять этот важный переход в истории Вселенной.
Наблюдение за образованием галактик, звезд и черных дыр
Насколько быстро образуются и собираются галактики, как быстро и где они образуют свои звезды, все еще остаются открытыми вопросами. Несколько амбициозных целей программы JADES включают понимание распределения звездной массы в молодых галактиках, а также звездной светимости, скорости звездообразования и звездного возраста, размера и состава. JADES также будет анализировать ядерную активность галактик, определять структуру галактик и наносить на карту движение газа в широком диапазоне расстояний.
Еще одна цель программы – понять свойства черных дыр первого поколения. Ученые измерили тесную взаимосвязь между массой центральной черной дыры галактики и массой выпуклости этой галактики, но то, как это происходит, в настоящее время является лишь предметом моделей и предположений. Команда JADES надеется пролить свет на природу этих отношений.
Ученые знают, что эти сверхмассивные черные дыры с массами в миллиарды солнечных масс уже существовали менее чем через 1 миллиард лет после большого взрыва, что составляет менее 10 процентов от нынешнего возраста Вселенной. Но очень трудно понять, как возникли такие огромные черные дыры на столь раннем этапе существования Вселенной.
«Мы надеемся обнаружить первобытные семена этих чудовищных черных дыр, меньшие черные дыры, которые образовались вскоре после Большого взрыва, и понять, каковы были их массы, как они увеличивались и где они находились», – пояснил Роберто Майолино, член научно-исследовательской группы NIRSpec ЕКА и профессор экспериментальной астрофизики Кембриджского университета в Соединенном Королевстве. – В течение долгого времени Уэбб будет единственным средством обнаружения и понимания процессов, которые впоследствии привели к появлению этих монстров, которые уже были созданы в ранней Вселенной».
В поисках первых звезд
Другая загадка связана с газом между галактиками, который, как сегодня известно астрономам, сильно ионизирован и прозрачен. Но в первый миллион лет он не был ионизирован – это был нейтральный газ, который был непрозрачным. Как произошел переход от нейтрального к ионизированному газу – от непрозрачного к прозрачному – ученые давно пытались понять.
«Этот переход является фундаментальным фазовым изменением в природе Вселенной, – сказал Эндрю Банкер, еще один член исследовательской группы ESA NIRSpec по приборам и профессор астрофизики Оксфордского университета в Соединенном Королевстве. – Мы хотим понять, что его вызвало. Возможно, это свет очень ранних галактик и первая вспышка звездообразования».
Команда JADES надеется обнаружить эту первую популяцию чрезвычайно массивных, ярких и горячих звезд, образовавшихся после Большого взрыва.
«Это своего рода один из Святых Граалей – найти так называемые звезды Населения III, которые образовались из водорода и гелия во время Большого взрыва, – пояснил Банкер. – Люди пытались сделать это в течение многих десятилетий, и пока результаты неубедительны».
Почему Уэбб?
Чрезвычайно удаленные цели команды JADES кажутся очень маленькими и слабыми, а их свет часто полностью смещен за пределы оптических длин волн. По этим причинам эти объекты можно наблюдать только с превосходной инфракрасной способностью большого крутого телескопа. Уэбб был построен специально для этой цели; это было одним из главных научных примеров, повлиявших на его разработку.
Из-за огромных размеров Уэбба он будет иметь пространственное разрешение в инфракрасном диапазоне, аналогичное тому, которое астрономы получали от телескопа Хаббла. Уэбб даст им гораздо более четкое изображение на длинных волнах, чем когда-либо раньше.
Способность Уэбба получать одновременно спектры нескольких объектов в инфракрасном диапазоне длин волн – еще один важный аспект программы JADES. NIRSpec сможет нацеливаться на более чем 100 галактик одновременно, снимая спектр каждой.
Гораздо большая площадь скопления Уэбба, его способность наблюдать более слабые галактики и его способность одновременно изучать несколько объектов, чего ученые не могли делать до того, как впервые стали возможными амбициозные крупные исследования, такие как JADES.
«Мы склонны говорить о подобных проектах в контексте теорий и моделей, которые у нас есть прямо сейчас, – сказал Рике. – Но я надеюсь, что с Уэббом мы найдем то, о чем мы даже не подозревали, – что нас ждет новый сюрприз – и это будет очень весело!»
Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире космической обсерваторией, когда он будет запущен в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей Солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в ней. Webb – это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейским космическим агентством) и Канадским космическим агентством.
